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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell die Bearbeitung von Polymerschaum
und insbesondere die Bildung von mikrozellularen und anderen Polymerschäumen mit
extrem niedrigen Niveaus an Treibmitteln.
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Hintergrund
der Erfindung
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Polymerschäume beinhalten
eine Vielzahl von Poren, auch Zellen genannt, in einer Polymermatrix.
Durch das Ersetzen von festem Kunststoff durch Poren verwenden die
Polymerschäume
weniger Rohmaterial als feste Kunststoffe für ein vorgegebenes Volumen.
Somit können
durch die Verwendung von Polymerschäumen anstelle von festen Kunststoffen
die Materialkosten in vielen Anwendungen reduziert werden.
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Mikrozellulare
Schäume
weisen kleinere Zellgrößen und
höhere
Zelldichten als konventionelle Polymerschäume auf. Verschiedene Patente
und Patentveröffentlichungen
beschreiben Aspekte von mikrozellularen Materialien sowie mikrozellularen
Prozessen.
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Das
US-Patent Nr. 4,473,665 (Martini-Vvedensky, et al., 25. September
1984) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Polymers,
das Zellen kleiner als etwa 2,54 μm
(100 Mikrons) im Durchmesser aufweist. In der Technik gemäß Martini-Vvedensky
et al. wird ein Material-Vorprodukt mit einem Treibmittel gesättigt, das
Material unter hohem Druck platziert und den Druck schnell absenkt,
um das Treibmittel zu nukleieren und die Bildung von Zellen zu ermöglichen.
Das Material wird anschließend
schnell eingefroren, um eine gewünschte
Verteilung der Mikrozellen beizubehalten.
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Das
US-Patent Nr. 5,158,986 (Cha, et al., 27. Oktober 1992) beschreibt
die Bildung von mikrozellularen Polymermaterialien unter Verwendung
eines überkritischen
Fluids als Treibmittel. In dem Chargen-Prozess gemäß Cha et
al. wird ein Kunststoffgegenstand einem Druck in einem überkritischen
Fluid für
eine gewisse Zeitdauer unterzogen und dann anschließend schnell
zu Umgebungsbedingungen zurückgeführt, um
eine Löslichkeitsveränderung
und eine Keimbildung zu erzeugen. In einem kontinuierlichen Prozess
wird ein Polymer-Bogen
extrudiert, der durch Walzen in einem Behälter eines kritischen Fluids
bei hohem Druck verlaufen kann, und anschließend schnell Umgebungsbedingungen
ausgesetzt. In einem anderen kontinuierlichen Prozess wird ein mit
einem überkritischen
Fluid gesättigter
geschmolzener Polymerstrom erzeugt. Der Polymerstrom wird schnell
erwärmt
und die daraus resultierende thermodynamische Instabilität (Löslichkeitsveränderung) erzeugt
Keimbildungsorte, während
das System unter Druck gehalten wird, was ein signifikantes Zellenwachstum
verhindert. Das Material wird dann in einen Formhohlraum injiziert,
wo der Druck reduziert wird und es den Zellen ermöglicht wird
zu wachsen.
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Das
US-Patent Nr. 5,866,053 (Park, et al., 2. Februar 1999) beschreibt
ein kontinuierliches Verfahren zum Bilden eines mikrozellularen
Schaums. Der Druck auf eine Einphasen-Lösung des Treibmittels und des
Polymers wird schnell abgesenkt, um das Material zu nukleieren.
Die Keimbildungsrate ist hoch genug, um eine mikrozellulare Struktur
im abschließenden
Produkt auszubilden.
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Die
internationale Patentanmeldung Nr. WO 98/08667 (Burnham et al.)
stellt Verfahren und Systeme zum Herstellen von mikrozellularem
Material sowie von mikrozellularen Gegenständen zur Verfügung. In
einem Verfahren gemäß Burnham
et al. wird eine Einphasenlösung
eines Vorprodukts eines geschäumten
Polymermaterials sowie eines Treibmittels kontinuierlich durch Abtrennen
des Stroms in separate Abschnitte und die separate Nukleierung jeder der
separaten Abschnitte nukleiert. Die abgetrennten Ströme können wieder
kombiniert werden. Der wieder kombinierte Strom kann in eine gewünschte Form (beispielsweise
mittels einer Formgebungspresse geformt werden. Burnham et al. beschreiben
ebenso eine Vielzahl von Pressen, Nukleatoren und anderen Anordnungen
zum Erzeugen dünner
Artikel, dicker Artikel, in Bezug auf das Extrudieren eines mikrozellularen
Materials aus Draht usw. In einigen dieser Verfahren ist die Druckabfallrate
ein wichtiges Merkmal und Techniken zur Steuerung dieses und anderer Parameters)
werden beschrieben.
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Schäumprozesse
beinhalten in einigen Fällen
Keimbildungsagentien, von denen einige anorganische feste Partikel
sind, in der Polymerschmelze während
der Bearbeitung. Diese Agentien können eine Vielzahl von Zusammensetzungen
so wie aus Talg und Kalziumcarbonat aufweisen und werden in die
Polymerschmelze gegeben, um typischerweise die Zellbildung zu unterstützen. Die
Dispersion der Keimbildungsagentien innerhalb der Polymermischung
ist oft kritisch bei der Bildung einer gleichmäßigen Zellstruktur.
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Treibmittel
werden typischerweise in das Polymermaterial eingeführt, um
Polymerschäume
auf eine von zwei Arten zu erzeugen. Gemäß einer Technik wird ein chemisches
Treibmittel mit einem Polymer vermischt. Das chemische Treibmittel
unterliegt einer chemischen Reaktion im Polymermaterial, typischerweise
unter Bedingungen, in denen das Polymer geschmolzen ist, was die
Bildung eines Gases bewirkt. Chemische Treibmittel sind generell
organische Mischungen mit niedrigem Molekulargewicht, die sich bei
einer bestimmten Temperatur zersetzen und ein Gas so wie Stickstoff,
Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid freigeben. Gemäß einer anderen Technik wird
ein physikalisches Treibmittel, d.h. ein Fluid, das unter Umgebungsbedingungen
ein Gas ist, in einen geschmolzenen Polymerstrom injiziert, um eine
Mischung auszubilden. Die Mischung wird einem Druckabfall unterworfen, was
bewirkt, dass das Treibmittel expandiert und Blasen (Zellen) in
dem Polymer ausbildet.
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Die
internationale Patentveröffentlichung
Nr. WO 98/08667 von Burnham et al., die am 5. März 1998 veröffentlicht wurde, verwendet überkritische Treibmittel,
die auf einer Vielzahl von Niveaus vorliegen;
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Die
internationale Veröffentlichung
Nr. WO 98/31521 von Pierick et al., veröffentlicht am 23. Juli 1998,
beschreibt, dass Einspritzformen eines mikrozellularen Materials
und die internationale Patentveröffentlichung
Nr. WO 99/62554 von Anderson et al., veröffentlicht am 1. Juli 1999,
beschreibt mikrozellulare Extrusions/Blasformverfahren und Gegenstände, wobei
jede dieser oben genannten Druckschriften die Verwendung von überkritischen
Treibmitteln bei einer Vielzahl von Niveaus beschreibt.
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Es
ist generell im Fachgebiet akzeptiert, dass zur Erzeugung einer
ausreichenden Menge von Keimbildungsorten für die Erzeugung mikrozellularer Schäume eine
Kombination von ausreichendem Treibmittel zur Erzeugung einer Antriebskraft
für die Keimbildung
sowie einer ausreichend hohen Druckabfallrate erforderlich ist,
um zu verhindern, dass das Zellwachstum den Eintritt einer Keimbildung
dominiert. Wenn die Treibmittel-Niveaus abgesenkt werden, sinkt
die Antriebskraft für
die Keimbildung ab. Während
jedoch höhere
Treibmittel-Niveaus zu kleineren Zellen führen können (ein generell erwünschtes
Ergebnis im Gebiet mikrozellularer Schäume, können gemäß konventioneller Meinung höhere Treibmittel-Niveaus
ebenso die Verbindung von Zellen bewirken (was per definitionem
die Zellgröße erhöht und strukturelle
und andere Materialeigenschaften negativ beeinflussen kann) und
sub-optimale Oberflächeneigenschaften
(zusammengefasste Oberflächeneigenschaften
bei höheren
Gasniveaus können
von der natürlichen
Tendenz des Treibmittels herrühren,
aus dem Material herauszutreten) bewirken.
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Das
bedeutet, dass generell akzeptiert ist, dass ein Abgleich zwischen
der kleinen Zellgröße und optimalen
Materialeigenschaften vorliegt, wenn die Treibmittel-Niveaus im
mikrozellularen Polymermaterial verändert werden. Es ist ein Ziel
der Erfindung, diesen Zusammenhang zu überwinden.
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Das
US-Patent Nr. 6,051,174 (Park et al., 18. April 2004), auf der der
Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, beschreibt wie dann, wenn einmal
eine gleichmäßige und
homogene Einphasen-Lösung ausgebildet
wurde, eine schnelle Absenkung des Drucks (oberhalb 0,9 GPa/s) zur
Induzierung eines thermodynamischen Ungleichgewichts bei einem kontinuierlichen
Strom eines supermikrozellularen Polymers führen wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Bildung eines mikrozellularen
Polymergegenstands gemäß Anspruch
1 zur Verfügung,
welches niedrige Niveaus an Treibmittel verwendet. In einer Ausführungsform
stellt die Erfindung ein Verfahren zum Bilden eines mikrozellularen
Gegenstands zur Verfügung,
das das Befördern
eines Polymermaterials in einer stromabwärtigen Richtung in einer Polymer-Bearbeitungsvorrichtung
involviert. Ein Treibmittel wird in das Polymermaterial eingeführt und
eine Mischung des Polymermaterials und des Treibmittels wird erzeugt.
Das Treibmittel wird aus denjenigen ausgewählt, die Gase bei Umgebungsbedingungen sind,
und wird in einer Menge von weniger als 0,08 Gew.-% zu der Mischung
zugegeben.
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Andere
Ausführungsformen
involvieren signifikant niedrigere Niveaus an Treibmittel.
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Vorzugsweise
wird ein physikalisches Treibmittel verwendet, d.h. kein Treibmittel,
das über
eine chemische Reaktion ausgebildet wird.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird eine Einphasen-Lösung
des Treibmittels und des Polymermaterials erzeugt und dadurch nukleiert,
dass es Bedingungen einer Löslichkeitsveränderung über einen
schnellen Druckabfall unterworfen wird. Treibmittel kann eng mit
dem Polymermaterial dadurch vermischt werden, dass es durch viele Öffnungen
einer Extrusionstrommel eingeführt
wird.
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Mikrozellulares
Material mit Zellen einer Vielzahl von Größen kann gebildet werden, inklusive
solches mit verschiedenen kleinen Zellen. Ein Produkt mit einer
variablen Gewichtsreduktion (Porenvolumina) kann ausgebildet werden.
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Die
Gegenstände
können
durch kontinuierliches Extrudieren eines mikrozellularen Polymermaterials,
durch Einspritzformen des Materials, Blasformen usw. erzeugt werden.
Die Gegenstände
können nach
der Formgebung thermogeformt werden.
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Die
Erfindung beinhaltet ebenso Gegenstände, die besonders glatte Oberflächen aufweisen,
sowie Techniken zur Erzeugung dieser Gegenstände.
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Andere
Vorteile, neue Merkmale sowie Ziele der Erfindung werden aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich
werden, wenn sie im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen
in Betracht gezogen wird, wobei die Zeichnungen schematisch und
nicht dazu geeignet sind, hieraus Abmessungen zu entnehmen. In den
Figuren werden alle identischen oder nahezu identischen Komponenten,
die in den verschiedenen Figuren dargestellt sind, über ein
einzelnes Bezugszeichen dargestellt. Zum Zwecke der Klarheit wird nicht
jede Komponente in jeder Figur bezeichnet, noch ist jede Komponente
jeder Ausführungsform der
Erfindung dort gezeigt, wo die Darstellung nicht dafür erforderlich
ist, dem Fachmann die Erfindung verständlich zu machen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 illustriert ein mikrozellulares Injektions-
oder Intrusions-Formgebungssystem, das eine Anordnung zur Verwendung
mit niedrigen Treibmittel-Niveaus gemäß der Erfindung darstellt;
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2 illustriert eine bevorzugte viellöchrige Treibmittel-Förderungsöffnungsanordnung
sowie eine Extrusionsschraube zur Verwendung mit dem System aus 1;
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3 ist eine Fotokopie eines Elektronen-Rastermikroskop(SEM)-Bildes
einer Oberfläche eines
extrudierten mikrozellularen Materials bei einer 20-fachen Vergrößerung;
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4 ist eine Fotokopie eines SEM-Bilds des
Gegenstands aus 3 bei einer 50-fachen
Vergrößerung;
und
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5 ist eine Fotokopie eines SEM-Bilds eines
Abschnitts des Querschnitts des Gegenstands aus den 3 und 4 sowie eines Abschnitts der Oberfläche des
Gegenstands, wenn er sich dem Querschnitt nähert, bei 200-facher Vergrößerung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Internationalen Patentveröffentlichungen WO
98/08667 von Burnham, et al., veröffentlicht am 5. März 1998,
WO 98/31521 von Pierick, det al., veröffentlicht am 23. Juli 1998
sowie WO 99/62554 von Anderson, et al., veröffentlicht am 1. Juli 1999
sowie die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer US-Anmelde-Seriennummer
09/335,946 von Pierick, et al., angemeldet am 18. Juni 1999 und
mit dem Titel "Injection
Molding of Polymeric Material" sind
sämtlich
Dokumente, auf die der Leser für
weitere Informationen verwiesen wird.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet die überraschende Erkenntnis, dass
mikrozellulare Polymerschäume über Extrusion,
Einspritzformung oder dergleichen mit der Verwendung eines physikalischen
Treibmittels bei extrem niedrigen Niveaus ausgebildet werden können und
verschiedene Nachteile, die mit höheren Treibmittel-Niveaus,
die normalerweise bei der Herstellung von Material mit sehr kleinen
Zellen auftreten, im Zusammenhang stehen, verhindert werden.
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Die
verschiedenen Ausführungsformen
und Aspekte der Erfindung werden aus den nachfolgenden Definitionen
besser verständlich.
Wie hierin verwendet, definiert "Keimbildung" einen Prozess, bei dem
eine homogene, einphasige Lösung
eines Polymermaterials, in dem Moleküle einer Spezies, die unter
Umgebungsbedingungen ein Gas sind, gelöst sind, Bildungen von Clustern
von Molekülen
dieser Spezies unterworfen sind, welche "Keimbildungsorte" definieren, von denen aus die Zellen
wachsen werden. Dies bedeutet, dass "Keimbildung" eine Veränderung aus der homogenen,
einphasigen Lösung zu
einer Mischung bedeutet, in der zu der Ansammlung von zumindest
einigen Moleküle
des Treibmittels ausgebildet werden. Keimbildung definiert diesen Übergangszustand,
wenn Gas in Lösung
in einer Polymerschmelze aus der Lösung austritt, um eine Suspension
von Bläschen
innerhalb der Polymerschmelze auszubilden. Generell wird dieser Übergangszustand
zwangsweise durch Veränderung
der Löslichkeit
der Polymerschmelze aus einem Zustand einer ausreichenden Löslichkeit,
bei der eine bestimmte Menge von Gas in Lösung enthalten ist, zu einem
Zustand einer nicht ausreichenden Löslichkeit bewirkt, um die gleiche
Menge an Gas in Lösung
zu enthalten. Keimbildung kann dadurch bewirkt werden, dass die
homogene, einphasige Lösung
einem schnellen thermodynamischen Ungleichgewicht sowie einer schnellen
Temperaturveränderung,
einem schnellen Temperaturabfall oder beidem unterworfen wird. Ein
schneller Druckabfall kann unter Verwendung eines Keimbildungs-Durchgangs,
wie er im Folgenden definiert wird, erzeugt werden. Eine schnelle Temperaturveränderung
kann unter Verwendung eines erhitzten Abschnitts eines Extruders,
eines heißen
Glycerinbads oder dergleichen bewirkt werden.
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Der
Begriff "mikrozellulare
Keimbildung", wie er
hierin verwendet wird, bedeutet die Keimbildung bei einer Zelldichte,
die hoch genug ist, um unter kontrollierter Expansion ein mikrozellulares
Material zu erzeugen.
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Ein "Keimbildungs-Agentium" ist ein dispersiertes
Agentium sowie Teile oder andere Füllstoffpartikel, die zu einem
Polymer hinzugegeben werden und dazu geeignet sind, die Bildung
von Keimbildungsorten aus einer einphasigen, homogenen Lösung zu
unterstützen.
Somit definieren "Keimbildungsorte" nicht Orte innerhalb
eines Polymers bei denen die Keimbildungsagentium-Partikel vorliegen.
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Der
Begriff "nukleiert" bezieht sich auf
einen Zustand eines fluiden Polymermaterials, das eine einphasige,
homogene Lösung
inklusive einer gelösten
Spezies, die unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, enthalten hat,
im Anschluss an einen Fall (typischerweise eine thermodynamische
Instabilität), die
zur Bildung von Keimbildungsorten führt. Der Begriff "nicht nukleiert" bezieht sich auf
einen Zustand, der durch eine einphasige, homogene Lösung des Polymermaterials
und gelöste
Spezies definiert ist, die unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist,
und bei dem Keimbildungsorte nicht vorliegen. Ein "nicht nukleiertes" Material kann ein
Keimbildungsagentium sowie Talg beinhalten.
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Eine "Mischung aus Polymermaterial/Treibmittel" kann eine einphasige,
nicht nukleierte Lösung von
zumindest zwei, einer nukleierten Lösung von zumindest zwei oder
einer Mischung sein, in der Treibmittel-Zellen gewachsen sind.
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Der
Begriff "Keimbildungs-Durchgang" soll einen Durchgang
definieren, der einen Teil einer Extrusionsvorrichtung für mikrozellularen
Polymerschaum bildet und in dem unter Bedingungen, in denen die
Vorrichtung betrieben werden soll (typischerweise bei Drücken von
10,342 bis etwa 20,684 MPa (etwa 1500 bis etwa 30.000 psi) stromaufwärts des Nukleators
und bei Strömungsraten
von größer als etwa
4356 kg (10 Pfund Polymermaterial pro Stunde) der Druck der einphasigen
Lösung
des Polymermaterials, die im System mit Treibmittel vermischt wurde,
unterhalb des Sättigungsdrucks
für die
spezielle Treibmittel-Konzentration bei einer Rate oder Raten erfolgt,
die die schnelle Keimbildung erleichtern. Ein Keimbildungs- Durchgang definiert
optional mit anderen Keimbildungs-Durchgängen eine Keimbildung oder
einen Keimbildungs-Bereich einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung stellt Techniken zur Herstellung eines mikrozellularen
Materials über Extrusion,
Einspritz- oder
Entrusions-Formung, Blasumformung oder dergleichen inklusive eines
mikrozellularen Polymermaterials unter Verwendung sehr niedriger
Niveaus an Treibmittel zur Verfügung.
Die Erfindung kann leicht vom Fachmann zur Verwendung in anderen
Formgebungsverfahren modifiziert werden, so wie ohne Beschränkung beispielsweise das
Niederdruck-Formen, das Co-Injektions-Formen, das laminare Formen,
Injektions-Kompression und dergleichen.
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Zum
Zwecke der vorliegenden Erfindung wird mikrozellulares Material
als geschäumtes
Material mit einer durchschnittlichen Zellgröße von weniger als etwa 2,54 μm (100 Mikrons)
im Durchmesser oder Material mit einer Zelldichte von generell größer als
zumindest etwa 106 Zellen pro Kubikzentimeter oder
vorzugsweise beides definiert. Nichtmikrozellulare Schäume weisen
Zellgrößen und
Zelldichten außerhalb
dieser Bereiche auf. Die Porenfraktion des mikrozellularen Materials
variiert generell von 5% bis 98%. Supermikrozelles Material wird
zum Zwecke der Erfindung durch Zellgrößen von kleiner als 1 μm und Zelldichten
größer als
1012 Zellen pro Kubikzentimeter definiert.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird mikrozellulares Material gemäß der Erfindung mit einer durchschnittlichen
Zellgröße von weniger
als etwa 1,27 μm
(50 Mikrons) erzeugt. In einigen Ausführungsformen ist eine besonders
kleine Zellgröße erwünscht und
in diesen Ausführungsformen
weist das Material gemäß der Erfindung
eine durchschnittliche Zellgröße von weniger
als etwa 0,508 μm
(20 Mikrons), besonders bevorzugt weniger als 0,254 μm (10 Mikrons)
und ganz besonders bevorzugt mindestens weniger als etwa 0,127 μm (5 Mikrons)
auf. Das mikrozellulare Material weist vorzugsweise eine maximale
Zellgröße von etwa
2,54 μm
(100 Mikrons) auf. In Ausführungsformen,
in denen eine besonders kleine Zellgröße erwünscht ist, kann das Material eine
maximale Zellgröße von etwa
1,27 μm
(50 Mikrons), besonders bevorzugt etwa 0,635 μm (25 Mikrons), ganz besonders
bevorzugt etwa 0,381 μm
(15 Mikrons), besonders bevorzugt etwa 0,203 μm (8 Mikrons) und überaus bevorzugt
etwa 0,127 μm
(5 Mikrons) aufweisen. Mikrozellulares Material gemäß der Erfindung
weist vorzugsweise ein Porenvolumen von zumindest etwa 5%, noch
bevorzugter zumindest etwa 10% auf und kann ein Porenvolumen von zumindest
etwa 15%, 20% oder sogar 25%, 30%, 50% oder 70% in einigen Ausführungsformen
aufweisen. Eine Reihe von Ausführungsformen
beinhaltet sämtliche
Kombinationen dieser genannten durchschnittlichen Zellgrößen, maximalen
Zellgrößen und/oder
Porenvolumina. Beispielsweise beinhaltet eine Ausführungsform
in dieser Reihe von Ausführungsformen
ein mikrozellulares Material mit einer durchschnittlichen Zellgröße von weniger
als 0,762 μm
(30 Mikrons) mit einer maximalen Zellgröße von etwa 1,27 μm (50 Mikrons)
sowie einem Porenvolumen von zumindest etwa 30%, und ein anderes
Beispiel weist eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als etwa 0,762 μm (30 Mikrons)
mit einer maximalen Zellgröße von etwa
0,882 μm
(35 Mikrons) usw. auf. Dies bedeutet, dass das mikrozellulare Material,
das für
eine Vielzahl von Zwecken gestaltet ist, mit einer speziellen Kombination
von durchschnittlicher Zellgröße und maximaler
Zellgröße vorzugsweise
für den
speziellen Zweck erzeugt werden kann.
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In
einer Ausführungsform
wird ein im Wesentlichen geschlossen-zelliges mikrozellulares Material
in Übereinstimmung
mit den Techniken gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt. Der Begriff "im Wesentlichen
geschlossenzellig",
wie er hierin verwendet wird, soll ein Material definieren, das
bei einer Dicke von etwa 2,54 μm
(100 Mikrons) keinen verbundenen Zelldurchgang durch das Material
aufweist.
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird ein Formgebungssystem 30 schematisch
dargestellt, das dazu verwendet werden kann, ein mikrozellulares Material
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zu erzeugen. Es ist selbstverständlich, dass das Formgebungssystem 30 gemäß 1 nur eine exemplarische Polymerbearbeitungsvorrichtung
ist, die dazu verwendet werden kann, ein mikrozellulares Material
bei niedrigen Treibmittel-Niveaus
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Andere beispielhafte
Systeme beinhalten kontinuierliche Extrusions- und Blasumform-Vorrichtungen,
wie sie in den oben gekennzeichneten internationalen Patentveröffentlichungen
beschrieben werden. Das System 30 gemäß 1 beinhaltet
eine Trommel 32 mit einem ersten stromaufwärtigen Ende 34 sowie
einem zweiten, stromabwärtigen
Ende 36, die mit einer Formkammer 37 verbunden
sind. Zur Drehung innerhalb der Trommel 32 ist eine Schraube 38 in
Wirkverbindung mit deren stromaufwärtigen Ende am Antriebsmotor 40 befestigt.
Obwohl dies nicht detailliert gezeigt ist, beinhaltet die Schraube 38 Zufuhr-, Übergangs-,
Gasinjektions-, Misch- und Abmesssektionen.
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Entlang
der Trommel 32 sind optional Temperatursteuerungseinheiten 42 positioniert.
Die Steuerungseinheiten 42 können elektrische Erhitzer sein, können Durchgänge für Temperatur-Steuerungsfluid beinhalten
oder dergleichen. Die Einheiten 42 können dazu verwendet werden,
einen Strom pelletierten oder fluiden Polymermaterials innerhalb
der Trommel zu erhitzen, um das Schmelzen und/oder die Abkühlung des
Stroms zu erleichtern, um die Viskosität zu steuern und in einigen
Fällen
die Löslichkeit
des Treibmittels zu steuern. Die Temperatur-Steuerungseinheiten können unterschiedlich
bei unterschiedlichen Orten entlang der Trommel betrieben werden,
d.h. zur Erhitzung eines oder mehrerer Orte und zur Abkühlung eines
oder mehrerer anderer Orte. Jede Anzahl von Temperatur-Steuerungseinheiten
kann vorgesehen sein.
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Die
Trommel 32 ist so aufgebaut und angeordnet, dass sie ein
Vormaterial des Polymermaterials aufnehmen kann. Der Begriff "Vormaterial des Polymermaterials", wie er hierin verwendet
wird, soll sämtliche
Materialien beinhalten, die Fluid sind oder ein Fluid ausbilden
können,
das anschließend
aushärten
kann, um einen mikrozellularen Polymergegenstand auszubilden. Typischerweise
ist das Vormaterial durch thermoplastische Polymerpellets definiert,
kann jedoch andere Arten beinhalten. Beispielsweise kann in einer
Ausführungsform
das Vormaterial durch Spezies definiert sein, die so reagieren werden,
dass sie, wie dies beschrieben wurde, unter einer Vielzahl von Bedingungen
eine mikrozellulares Polymermaterial ausbilden. Die Erfindung soll die
Herstellung von mikrozellularem Material aus jeder Kombination von
Spezies umfassen, die zusammen reagieren können, um ein Polymer, typischerweise
Monomere oder Polymer-Vormaterialien mit niedrigem Molekulargewicht,
welche vermischt und geschäumt
werden, wenn die Reaktion eintritt, ausbilden. Generell beinhalten
diejenigen Spezies, die von der Erfindung umfasst sind, thermisch
aushärtende
Polymere, in denen ein signifikanter Anstieg des Molekulargewichts
während
der Reaktion des Polymers und während
der Schäumung
aufgrund der Vernetzung der Polymer-Komponenten auftritt. Beispielsweise
Polyamide des Kondensations- und Additions-Typs inklusive aliphatischer
und aromatischer Polyamide sowie Polyhexamethylenadipamid, Poly(e-Caprolactam),
Polyen sowie zykloaromatische Polymere inklusive Polydicyclopentadien,
akrylische Polymere sowie Polyakrylamid, Polyakrylamat, akrylische
Esterpolymere sowie 2-cyanoakrylische Esterpolymere, Akrylonitril-Polymere
und Kombinationen hiervon.
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Vorzugsweise
wird ein thermoplastisches Polymer oder eine Kombination thermoplastischer Polymere
aus amorphen, semikristallinen oder kristallinen Materialien inklusive
Polyolefinen sowie Polyethylen oder Polypropylen, Fluoropolymeren,
vernetzbaren Polyolefinen, Polyamiden, Polyvinylchlorid und Polyaromaten
sowie Styrenpolymeren inklusive Polystyren ausgewählt. Thermoplastische
Elastomere können
ebenso verwendet werden, insbesondere Metallocenkatalysiertes Polyethylen.
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Typischerweise
verwendet die Einführung des
Vormaterials aus Polymermaterial einen Standardbunker 44 zum
Bewahren pelettieren Polymermaterials, optional enthalten ein Keimbildungs-Agentium,
das in die Extrudertrommel durch die Öffnung 46 befördert werden
soll, obwohl ein Vormaterial ein fluides Prepolymer-Material sein
kann, das durch eine Öffnung
injiziert wird und innerhalb der Trommel über beispielsweise Hilfs-Polymerisationsagentien polymerisiert
wird. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist es nur wichtig,
dass ein Fluidstrom aus Polymermaterial in dem System etabliert
werden kann.
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Direkt
stromabwärts
des stromabwärtigen Endes 48 der
Schraube 38 aus 1 liegt ein
Bereich 50 vor, der ein Temperatureinstell- und Steuerungsbereich,
ein Hilfs-Mischbereich,
ein Hilfspumpbereich oder dergleichen sein kann. Beispielsweise kann
der Bereich 50 Temperatur-Steuerungseinheiten beinhalten, um die
Temperatur eines fluiden Polymerstroms vor der Keimbildung einzustellen,
wie dies im Folgenden beschrieben wird. Der Bereich 50 kann
anstelle dessen oder zusätzlich
hierzu zusätzliche
Standard-Mischeinheiten
(nicht gezeigt) oder Strömungssteuerungseinheiten
so wie eine Kreiselpumpe (nicht gezeigt) beinhalten. In einer anderen Ausführungsform
kann der Bereich 50 durch eine zweite Schraube in Tandemweise
ersetzt werden, die einen Abkühlbereich
beinhalten kann. In einer Ausführungsform,
in der die Schraube 38 eine sich hin- und herbewegende Schraube in einem
Einspritzformsystem ist, kann der Bereich 50 einen Ansammlungsbereich
definieren, in dem eine einphasige, nicht nukleierte Lösung aus
Polymermaterial und Treibmittel vor dem Einspritzen in die Form 37 angesammelt
wird.
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Die
Produktion mikrozellularen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet vorzugsweise ein physikalisches Treibmittel, d.h. ein
Mittel, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist (deutlicher im
Folgenden beschrieben). Chemische Treibmittel können jedoch ebenso verwendet
werden und können
in der Form von Polymerpellets vorliegen, die in den Bunker 44 eingeführt werden.
Geeignete chemische Treibmittel beinhalten diejenigen, die typischerweise
organische Mischungen mit vergleichsweise niedrigem Molekulargewicht
aufweisen, die sich bei einer kritischen Temperatur oder einer anderen
Bedingung, die bei der Extrusion erreichbar ist, zersetzen und ein
Gas oder Gase so wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid
freigeben. Beispiele beinhalten Azomischungen oder Azo-Dicarbonamide.
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Ein
Vorteil der Ausführungsformen,
in denen ein physikalisches Treibmittel anstelle eines chemischen
Treibmittels verwendet wird, ist der, dass die Recyclingfähigkeit
des Produkts maximiert wird. Die Verwendung eines chemischen Treibmittels
reduziert typischerweise die Attraktivität des Polymers für die Recyclingbehandlung,
da Reste des chemischen Treibmittels und von Treibmittel-Nebenprodukten
zu einem insgesamt nicht gleichmäßig receyclefähigen Materialpool
beitragen. Da Schäume,
die mit chemischen Treibmitteln aufgeschäumt wurden, inhärent Reste
von nicht reagiertem chemischem Treibmittel nach der Herstellung
eines finalen Schaumprodukts aufweisen sowie chemische Nebenprodukte
der Reaktion, die das Treibmittel bewirkt, beinhaltet das Material
gemäß der vorliegenden
Erfindung in dieser Reihe von Ausführungsformen Reste an chemischem
Treibmittel oder Reaktionsnebenprodukten des chemischen Treibmittels
in einer Menge von weniger als der, die inhärent in Gegenständen aufgefunden
wird, die mit 0,1 Gew.-% chemischem Treibmittel oder mehr, vorzugsweise
in einer Menge von weniger als der, die inhärent in Gegenständen aufgefunden wird,
die mit 0,05 Gew.-% chemischem Treibmittel oder mehr, und ganz besonders
bevorzugt in einer Menge, die geringer ist als diejenige, die inhärent in Gegenständen aufgefunden
wird, die mit 0,01 Gew.-% chemischem Treibmittel oder mehr aufgeschäumt wurden.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen
ist das Material dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen
frei von Resten chemischen Treibmittels oder frei von Reaktionsnebenprodukten
des chemischen Treibmittels ist. Das bedeutet, dass sie geringere
Reste chemischen Treibmittels oder von Treibmittelnebenprodukten
aufweisen, die inhärent
in Gegenständen
aufgefunden werden, die mit irgendeiner Art chemischem Treibmittel
aufgeschäumt
wurden.
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Dort,
wo physikalische Treibmittel verwendet werden, liegt entlang der
Trommel 32 des Systems 30 zumindest ein Anschluss 54 vor,
der in fluider Wirkverbindung mit einer Quelle 56 für das physikalische
Treibmittel steht. Jedess einer Vielzahl von physikalischen Treibmitteln,
die dem Fachmann bekannt sind, so wie Helium, Hydrocarbon, Chlorofluorocarbone,
Stickstoff, Kohlendioxid und dergleichen oder Mischungen hiervon,
kann in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden, und gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
stellt die Quelle 56 Kohlendioxid als Treibmittel zur Verfügung. Treibmittel
aus einem überkritischen
Fluid werden besonders bevorzugt, insbesondere überkritisches Kohlendioxid.
In einer Ausführungsform
wird ausschließlich überkritisches
Kohlendioxid als Treibmittel verwendet. Überkritisches Kohlendioxid
(oder ein anderes überkritisches
Treibmittel) können
in den Extruder eingeführt werden
und dazu gebracht werden, schnell eine Einphasenlösung mit
dem Polymermaterial entweder durch Injizierung des Kohlendioxids
oder eines anderen Treibmittels als überkritisches Fluid, oder durch Injizierung
von Kohlendioxid als Gas oder Flüssigkeit und
durch die Ermöglichung
von Bedingungen innerhalb des Extruders, das Treibmittel im überkritischen Zustand
zu belassen, in vielen Fällen
innerhalb von Sekunden, auszubilden. Die Injizierung von Kohlendioxid
in den Extruder im überkritischen
Zustand wird bevorzugt. Die Einphasenlösung von überkritischem Kohlendioxid
und Polymermaterial, die auf diese Weise ausgeformt wurde, weist
eine sehr niedrige Viskosität
auf, was vorteilhafterweise die Formgebung bei niedriger Temperatur
ermöglicht,
sowie die schnelle Befüllung
von Formen, die enge Toleranzen aufweisen, um sehr dünne geformte
Teile zu erzeugen, wie dies detaillierter im Folgenden beschrieben werden
wird. Gemäß der Erfindung
wird Treibmittel in das Polymermaterial innerhalb einer Polymer-Bearbeitungsvorrichtung 30 in
einer Menge von weniger als etwa 0,08 Gew.-% oder mit anderen, niedrigeren Prozentsätzen, wie
dies im Folgenden beschrieben werden wird, eingeführt.
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Eine
Druck- und Abmessvorrichtung 58 wird typischerweise zwischen
der Treibmittelquelle 56 und dem zumindest einen Anschluss 54 zur
Verfügung gestellt.
Die Vorrichtung 58 kann dazu verwendet werden, die Masse
an Treibmittel zwischen 0,00453 kg/h (0,01 lbs/Stunde) sowie 31,75
kg/h (70 lbs/Stunde, oder zwischen 0,018 kg/h (0,04 lbs/Stunde)
und 31,75 kg/h (70 lbs/Stunde) und ganz besonders bevorzugt zwischen
0,091 kg/h (0,2 lbs/Stunde) und 5,443 kg/h (12 lbs/Stunde) einzustellen,
um so die Menge an Treibmittel im Polymerstrom innerhalb des Extruders
zu steuern und das Treibmittel auf einem gewünschten Niveau zu halten.
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Obwohl
der Anschluss 54 an einer Vielzahl von Orten entlang der
Trommel platziert sein kann, ist er gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
direkt stromaufwärts
eines Mischabschnitts 60 der Schraube und an einem Ort 62 der
Schraube platziert, wo die Schraube nicht unterbrochene Gewindegänge beinhaltet.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird eine bevorzugte
Ausführungsform
des Treibmittel-Anschlusses detailreicher dargestellt. In dieser
speziellen, dargestellten Ausführungsform
sind zwei Anschlüsse
an einander gegenüberliegenden
oberen und unteren Seiten der Trommel vorgesehen. In dieser bevorzugten
Ausführungsform
ist der Anschluss 54 in einem Bereich stromaufwärts vom
Mischabschnitt 60 der Schraube 38 (inklusive hochgradig
unterbrochener Gewindegänge)
bei einer Distanz stromaufwärts des Mischabschnitts
von nicht mehr als etwa vier vollständigen Gewindegängen, vorzugsweise
nicht mehr als etwa zwei vollständigen
Gewindegängen
und noch bevorzugter nicht mehr als einem vollen Gewindegang platziert.
So positioniert wird das injizierte Treibmittel sehr schnell und
gleichmäßig in einem
fluiden Polymer-Strom vermischt, um schnell eine Einphasenlösung des
geschäumten
Material-Vormaterials und des Treibmittels herzustellen.
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Der
Anschluss 54 ist in der bevorzugten dargestellten Ausführungsform
ein Anschluss mit vielen Löchern,
der eine Vielzahl von Öffnungen 64 beinhaltet,
die die Treibmittelquelle mit der Extrudertrommel verbinden. Wie
gezeigt, ist in bevorzugten Ausführungsformen
eine Vielzahl von Anschlüssen 54 um die
Extrudertrommel an verschiedenen Positionen radial vorgesehen und
kann in einer Längsausrichtung
miteinander stehen. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Anschlüssen 54 bei
12 Uhr-, 3 Uhr-, 6 Uhr- und 9 Uhr-Positionen um die Extrudertrommel herum
platziert sein, wobei jede eine Vielzahl von Öffnungen 64 beinhaltet.
Auf diese Weise beinhaltet dort, wo jede Öffnung 64 als Treibmittel-Öffnung angesehen
wird, die Erfindung Extrusionsvorrichtungen mit zumindest etwa 10,
vorzugsweise zumindest etwa 40, ganz besonders bevorzugt etwa 100, überaus bevorzugt
zumindest etwa 300, noch bevorzugter zumindest etwa 500 und ganz
besonders bevorzugt zumindest etwa 700 Treibmittel-Öffnungen,
die in fluider Wirkverbindung mit der Extrudertrommel stehen und
die Trommel fließfähig mit
einer Treibmittelquelle verbinden.
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Ebenso
liegt in den bevorzugten Ausführungsformen
eine Anordnung (wie in 2 gezeigt) vor,
in denen die Treibmittel-Öffnung
oder -Öffnungen entlang
der Extrudertrommel an einem Ort platziert sind, wo dann, wenn eine
bevorzugte Schraube innerhalb der Trommel befestigt ist, die Öffnung oder die Öffnungen
nahe vollständigen,
nicht unterbrochenen Gewindegängen 65 vorliegen.
Auf diese Weise verläuft
dann, wenn die Schraube sich dreht, jeder Gewindegang periodisch
und jede Öffnung
oder "überstreicht" diese Öffnung.
Dieses Überstreichen erhöht die schnelle
Vermischung des Treibmittels und des fluiden geschäumten Material-Vormaterials durch,
in einer Ausführungsform,
im Wesentlichen das schnelle Öffnen
und Verschließen
jeder Öffnung durch
das periodische Blockieren jeder Öffnung, wenn der Gewindegang
relativ zur Öffnung
groß genug
ist, um die Öffnung
dann vollständig
zu blockieren, wenn er mit dieser in Ausrichtung steht. Das Ergebnis
ist die Verteilung vergleichsweise fein verteilter, isolierter Bereiche
von Treibmittel in dem fluiden Polymermaterial direkt nach der Injizierung
und vor jeder Vermischung. In dieser Anordnung wird bei einer Standard-Schraubenumdrehungsgeschwindigkeit
von etwa 30 U/min jede Öffnung
von einem Gewindegang bei einer Rate von zumindest etwa 0,5 Schritten
pro Sekunde überstrichen,
noch bevorzugter von zumindest 1 Überstreichen pro Sekunde, noch
bevorzugter von zumindest etwa 1,5 Überstreichungen pro Sekunde
und ganz besonders bevorzugt zumindest etwa 2 Überstreichungen pro Sekunde.
In bevorzugten Ausführungsformen
sind die Öffnungen 54 unter
einem Abstand von etwa 15 bis etwa 30 Trommeldurchmessern vom Beginn
der Schraube (am stromaufwärtigen
Ende 34) positioniert.
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Unter
Bezugnahme wiederum auf 1 ist stromabwärts des
Bereichs 50 ein Nukleator 66 konstruiert, der
einen Druckabfall-Keimbildungs-Durchgang 67 beinhaltet.
Der Begriff "Keimbildungs-Durchgang", wie er hierin verwendet
wird, wird im Kontext mit einem schnellen Druckabfall verstanden,
dass er einen Durchgang definiert, der einen Teil einer Extrusionsvorrichtung
für mikrozellularen
Polymerschaum ausbildet und indem unter Bedingungen, unter denen die
Vorrichtung betrieben werden soll (typischerweise bei Drücken von
etwa 10,342 bis etwa 20,684 MPa (etwa 1500 bis etwa 30.000 psi)
stromaufwärts des
Nukleators und bei Strömungsraten
von größer als
etwa 2,268 kg (5 lbs) Polymermaterial pro Stunde), der Druck der
Einphasenlösung
des mit Treibmittel in dem System vermischten Polymermaterials unterhalb
des Sättigungsdrucks
für die spezielle
Treibmittel-Konzentration bei einer Rate oder bei Raten, die die
Keimbildung erleichtern, abfällt.
Der Keimbildungs-Durchgang 67 beinhaltet ein Einlassende 69 zum
Aufnehmen einer Einphasenlösung
der Polymermaterial-Vormaterials
sowie es Treibmittels als fluider Polymerstrom sowie ein nukleiertes
Polymer-Freigabeende 70 zum Bereitstellen eines nukleierten
Polymermaterials zu einer Formgebungskammer oder einer Form 37.
Der Nukleator 66 ist so aufgebaut und angeordnet, dass
er eine Mischung, vorzugsweise eine Einphasenlösung, aus Polymermaterial und
Treibmittel, die hierdurch hindurchtritt, einer Druckabfallrate
von zumindest etwa 0,1 GPa/sek unterwirft. In bevorzugten Ausführungsformen
unterwirft der Nukleator die Mischung einer Druckabfallrate von
zumindest etwa 0,3 GPa/sek, noch bevorzugter von zumindest etwa
0,5 GPa/sek und ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 1 GPa/sek.
In einigen Ausführungsformen
können
sehr hohe Druckabfallraten induziert werden, sowie 3, 5 oder 7 GPa/sek.
Die Nukleatoren können
vom Fachmann auf Basis dieser Offenbarung und der oben erwähnten internationalen
Veröffentlichungen
ausgewählt werden,
um die gewünschten
Druckabfallraten zu erzeugen. Der Nukleator 66 kann in
einer Vielzahl von Orten stromabwärts des Bereichs 50 und
stromaufwärts
der Form 37 platziert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Nukleator 66 in einer direkten fluiden Wirkverbindung
mit der Form 37 platziert, so dass der Nukleator eine Düse definiert,
die den Extruder mit der Formkammer verbindet und das nukleierte
Polymer-Freigabeende 70 definiert
eine Öffnung
der Formgebungskammer 37. Gemäß einer Reihe von Ausführungsformen
liegt die Erfindung im Platzieren eines Nukleators stromaufwärts einer Form.
In kontinuierlichen Extrusionsausführungsformen kann der Nukleator 66 direkt
in eine Formpresse entleert werden oder kann einen integralen Teil
einer Formpresse ausbilden. In Systemen, die die Blasform-Polymer-Bearbeitungsvorrichtung
beinhalten, kann der Nukleator sich in eine ringförmige Form
entleeren, die dazu gestaltet ist, einen Parasin auszubilden, der
später
blasgeformt wird, oder der einen integralen Teil einer ringförmigen Form
ausbilden kann.
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Der
Nukleator 66 kann einen Keimbildungs-Durchgang 67 beinhalten,
der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er eine variable Querschnittsdimension
aufweist, d.h. einen Durchgang, der im Querschnitt eingestellt werden
kann. Ein Keimbildungs-Durchgang mit variablem Querschnitt erlaubt
die Variation der Druckabfallrate in einem Strom von fluidem Polymermaterial,
der hier hindurchtritt, um eine gewünschte Keimbildungsdichte zu
erzielen.
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In
einer Ausführungsform
wird ein Keimbildungs-Durchgang, der sich in seiner Querschnitts-Dimension über seine
Länge verändert, verwendet. Insbesondere
kann ein Keimbildungs-Durchgang, der
seine Querschnitts-Dimension in einer stromabwärtigen Richtung absenkt, signifikant
die Druckabfallrate erhöhen.
Diese und andere beispielhafte Nukleatoren werden in der internationalen
Patentveröffentlichung
WO 98/08667, auf die oben Bezug genommen wurde, beschrieben.
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Bei
Einspritzformungs-Ausführungsformen kann
eine Ladung einer Mischung aus Polymermaterial und Treibmittel (vorzugsweise
eine einphasige Lösung)
in einem Akkumulator angesammelt werden, dann in eine Form injiziert
und während
der Injiziierung nukleiert werden. Der Akkumulator kann einen distalen
Bereich einer Extrudertrommel definieren, wo eine sich hin- und
herbewegende Schraube verwendet wird, oder ein separater Akkumulator (nicht
gezeigt) kann mit der Trommel des Extruders verbunden werden, Material
kann in den Akkumulator von der Trommel aus eingeführt werden
und das Material kann von dem Akkumulator in die Form hinein injiziert
werden. Derartige Anordnungen werden in der internationalen Patentveröffentlichung
WO 98/31521, auf die oben Bezug genommen wurde, beschrieben.
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Wie
bereits erwähnt,
beinhaltet die Erfindung die Herstellung eines mikrozellularen Materials
mit sehr niedrigen Niveaus an Treibmittel. Insbesondere wird Polymermaterial
stromabwärts in
einer Polymer-Bearbeitungsvorrichtung, so wie dies in 1 gezeigt ist, befördert, während Polymermaterial-Treibmittel
in einer Menge von weniger als etwa 0,08 Gew.-% basierend auf dem
Gewicht der Mischung aus Polymer/Treibmittel eingeführt wird.
In andere Ausführungsformen
kann das Treibmittel in der Mischung in einer Menge von weniger
als etwa 0,064 Gew.-% oder weniger als etwa 0,05 Gew.-% oder weniger
als etwa 0,04 Gew.-% oder sogar noch weniger als etwa 0,03 Gew.-%
vorliegen.
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Der
Erfolg beim Ausbilden von mikrozellularen Polymermaterialien mit
derartig niedrigen Treibmittel-Niveaus ist überraschend. Es ist überraschend,
dass bei Treibmittel-Niveaus
signifikant unterhalb von 0,1% eine ausreichende Keimbildung eintritt,
um kleine Zellen zu erhalten, auch durch die Verwendung von Keimbildungs-Agentien.
Beim konventionellen (nicht mikrozellularen) Polymer-Schäumen ergibt
die Verwendung von Keimbildungs-Agentien in Kombination mit sehr
niedrigen Treibmittel-Niveaus typischerweise keine kleinen Zellen.
Im Falle von mikrozellularen Polymer-Schäumen bei sehr niedrigen Gasniveaus
sowie diejenigen, die hierin beschrieben wurden, wird jedoch in
Kombination von optimalen Keimbildungs-Agentien und hohen Druckabfallraten,
die mit den mikrozellularen Schäumen verbunden
sind, ein gutes mikrozellulares Produkt erhalten.
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Das
System 30 und andere Systeme können so gestaltet sein, dass
sie eine Mischung aus Treibmittel und Polymermaterial, vorzugsweise
eine Einphasen-Lösung,
ausbilden und diese bei einer Rate von zumindest etwa 4,356 kg/h
(10 lbs/h) stromabwärts
transferieren. In anderen Ausführungsformen kann
die Vorrichtung die Mischung bei einer Rate von zumindest etwa 9,072,
18,144 oder 20,216 kg/h (20, 40 oder 60 lbs/h) stromabwärts transferieren.
Diese Raten können
kontinuierlich wie bei der kontinuierlichen Extrusion oder unterbrochen
wie beim Einspritzformen auftreten. Diese vergleichsweise hohen Strömungsraten
können
dort erzielt werden, wo eine Schraube mit einem Mischabschnitt 60 das
Treibmittel stark mit einer Vielzahl von Wellen so wie beim kontinuierlichen
Extrudieren oder unterbrochen wie beim Einspritzformen vermischt
(vorzugsweise mit einem überkritischen
Treibmittel). Diese vergleichsweise hohen Strömungsraten können dort
erzielt werden, wo eine Schraube mit einem Mischabschnitt 60 das
Treibmittel (vorzugsweise ein überkritisches Treibmittel)
mit Polymermaterial vermischt. Vorzugsweise wird das Treibmittel
in das Polymermaterial hinein eingeführt und das Treibmittel bildet
nach einer Zeitdauer von weniger als etwa 10 Minuten nach der Injiziierung
des Treibmittels einen Teil einer Einphasen-Lösung aus Polymermaterial und
Treibmittel. Vorzugsweise wird die einphasige Lösung in einer Zeitdauer von
weniger als etwa 5 Minuten, noch bevorzugter als etwa 1 Minute und
ganz besonders bevorzugt weniger als etwa 30 Sekunden ausgebildet. Um
eine nicht nukleierte, einphasige Lösung nach der Vermischung und
vor der Keimbildung beizubehalten, wird die Mischung aus Treibmittel
und Polymer stromabwärts
des Injektionsorts und stromaufwärts
des Nukleators unter einem Druck gehalten, der um nicht mehr als
etwa 10,342 MPa (1500 psi) variiert. Noch bevorzugter variiert der
Druck in diesem Bereich um nicht mehr als etwa 17,237 MPa (2500
psi).
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Diese überraschende
Eignung, eine ausreichende Keimbildung bei derart niedrigen Treibmittel-Niveaus
zu erhalten, kann wie folgt erklärt
werden. Während
die Erfinder nicht auf irgendeine Theorie festgelegt werden wollen,
wird dennoch vermutet, dass die Keimbildungs-Eignung des in dem
Material vorliegenden Keimbildungs-Agentium durch den Druck eines
Scherfelds erhöht
werden kann, welches mit hohen Druckabfallraten verbunden ist. Darüber hinaus
wird bei der Verwendung niedriger Treibmittel-Niveaus eine geringere
Wechselwirkung von Zellen und Zellen mit kleiner Größe aufrecht
erhalten. Die niedrigere Wechselwirkung ist das Ergebnis des geringeren
Treibmittel-Gehalts, das für
das schnelle Zellwachstum verfügbar
ist (höhere
Treibmittel-Niveaus
können
bewirken, dass die Zellen aufeinanderstoßen und sich verbinden oder
untereinander verbinden).
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Es
ist ein Merkmal der Erfindung, dass niedrigere Treibmittel-Niveaus
ebenso bessere Oberflächeneigenschaften
im mikrozellularen Produkt zur Verfügung stellen, da geringere
Mengen von Treibmittel vorliegen, welche aus dem Material austreten und
mit dem Oberflächenerscheinungsbild
in Wechselwirkung treten.
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Die
Erfindung stellt ebenso ein System und ein Verfahren zur Herstellung
von geformten Schaumteilen mit Oberflächen zur Verfügung, die
wie Vollkörper
erscheinen. Zumindest ein Abschnitt auf der Oberfläche dieser
Teile ist frei von Spreizern oder Wirbeln, die für das nackte menschliche Auge
sichtbar sind. Extrem ebene geformte Teile können dann erzeugt werden, wenn
die Temperatur der Schmelze und die Formtemperatur sowie die Treibmittel-Konzentration
dafür optimiert
werden, es dem Treibmittel zu ermöglichen, weg von der Oberfläche des
Teils zu diffundieren, so dass die Oberfläche eine Hautschicht beinhaltet,
die im Wesentlichen frei von Zellen ist. Diese Hautschicht besteht
im Wesentlichen aus festem Polymer, so dass der Teil als fester
Polymerteil für
das nicht unterstützte
menschliche Auge erscheint. Spreizer und Wirbel im geschäumten Polymermaterial
werden durch Bläschen
an der Oberfläche
bewirkt, die gegen eine Formwand gedrückt werden. Dort wo die Bläschen an
der Oberfläche
aufgrund der Temperatursteuerung entfernt werden, werden Spreizer
und Wirbel vermieden. In diesen Ausführungsformen werden die geformten
Teile so produziert, dass sie eine äußere Schicht aus im Wesentlichen
festem Polymermaterial frei von Zellen aufweisen, welche eine Dicke
von zumindest dreimal der durchschnittlichen Zellgröße des geschäumten Materials
aufweist. Vorzugsweise ist die Dicke der äußeren Schicht zumindest etwa
fünfmal
die Durchschnittsgröße des Materials.
Ein anderer Grund dafür,
dass gemäß der Erfindung
geformte Teile erzeugt werden können,
die frei von sichtbaren Spreizern oder Wirbeln sind, ist der, dass
die Diffusionsrate des Treibmittels aus überkritischem Fluid von den
Erfindern schneller als die typischer Treibmittel vermutet wird,
was das Auftreten einer Diffusion an der Oberfläche des Gegenstands ermöglicht und,
wie dies beschrieben wurde, das Ausbilden einer festen Hautschicht
ermöglicht.
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Insbesondere
extrudierte, einspritzgeformte und blasumgeformte mikrozellulare
Gegenstände können gemäß der Erfindung
mit einer glatten Oberfläche
frei von für
das nicht unterstützte
menschliche Auge (d.h. ohne die Verwendung eines optischen Mikroskops
oder anderer Instrumente) sichtbaren Oberflächendefekten erzeugt werden.
Die Gegenstände
sind frei von Oberflächendefekten,
die bewirken, dass die Oberfläche
um mehr als 2,54 μm
(100 Mirkons) von einer Ebene abweicht. Vorzugsweise sind die Gegenstände frei
von Oberflächendefekten, die
bewirken, dass die Oberfläche
um mehr als 1,905 μm
(75 Mikrons), 1,27 μm
(50 Mikrons), 1,016 μm
(40 Mikrons) oder noch bevorzugter um 0,762 μm (30 Mikrons) von einer Ebene
abweicht. Diese Beschreibung wird vom Fachmann an sich verstanden
und zusätzlich
wird das Verständnis
unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 unterstützt, welche mit Beispiel 1
unten korrespondieren. Die 3 und 4 sind SEM-Bilder bei einer 20-fachen bzw.
50-fachen Vergrößerung eines
extrudierten Bogens. 5 ist ein SEM-Bild
des gleichen Bogens im Querschnitt bei einer 200-fachen Vergrößerung. Das Bild aus 5 beinhaltet einen Bereich A, der ein
Bild eines Abschnitts des Querschnitts selbst ist, sowie einen Abschnitt
B, der von der Oberfläche
des Gegenstands senkrecht zu (und sich aus der 5 heraus
erstreckend) dem Querschnitt steht. Die Grenze zwischen dem Bereich
A und B ist eine Kante, an der der Querschnitt auf die Oberfläche auftrifft.
Wie aus den 3 bis 5 ersichtlich
ist, führten
die Techniken gemäß der Erfindung
zu mikrozellularen Gegenständen,
die besonders ebene Oberflächen
frei von sichtbaren Spreizern und Verwirbelungen sowie frei von
großen Oberflächendefekten
sind, wie dies hierin beschrieben wurde.
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Vor
der hierin beschriebenen Offenbarung hätte erwartet werden können, dass
bei Treibmittel-Niveaus deutlich unterhalb 0,1%, beispielsweise bei
etwa 0,08% oder weniger die Produkt-Zellgröße auf unakzeptable Niveaus
angehoben würde
und das Porenvolumen des Materials abgesenkt würde, eventuell sogar Null-Festmaterial,
erreicht hätte
(im relativen Sinn ist 0,08 Gew.-% Treibmittel signifikant unterhalb
von 0,1 Gew.-% Treibmittel-Niveau). Siehe hierzu beispielsweise
den Aufsatz "Introduction
to Structural Foam" von
Semerdjiev, Society of Plastics Engineers, Inc. (1982), Seite 17,
auf den der Leser für
weitere Informationen verwiesen wird. Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet
jedoch die Erkenntnis, dass dies nicht der Fall ist, d.h. dass mikrozellulares
Material bei den hierin beschriebenen Porenvolumen-Niveaus bei Treibmittel-Niveaus
bei oder unterhalb etwa 0,08% ausgebildet werden kann. Es wird vorgeschlagen,
dass dieses Minimum durch ein begrenztes Zellwachstum aufgrund einer
unzureichenden Antriebskraft für
die Zellexpansion angetrieben wird. Das bedeutet, dass eine Keimbildung
auftritt und dann ein sehr begrenztes Zellwachstum aufgrund einer
unzureichenden Menge von Gas für
die Bildung großer
Zellen beschränkt
wird. Während
viele Studien gemäß dem Stand
der Technik (beispielsweise das oben diskutierte US-Patent Nr. 4,473,665)
mit dem schnellen Einfrieren eines nukleierten geschmolzenen Polymermaterials
beschäftigt
waren, um das Zellwachstum einzufrieren, wird dieses Erfordernis
aufgrund extrem niedrigen Niveaus von Treibmittel in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung reduziert oder umgangen, da keine
ausreichende Menge an Treibmittel vorliegt, um ein signifikantes Zellwachstum
zu bewirken.
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Die
Funktion und der Vorteil dieser und anderer Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird aus den folgenden Beispielen vollständiger verständlich.
Die nachfolgenden Beispiele sind dazu gedacht, die Vorteile der
vorliegenden Erfindung darzustellen, jedoch nicht, den vollständigen Schutzbereich
der Erfindung exemplarisch wiederzugeben.
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Beispiel 1: Verwendung
eines niedrigen Niveaus von Treibmittel zur Extrusion eines mikrozellularen
geschäumten
PVC-Profils.
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Ein
70 mm DIE gegenläufig
rotierender Zwillingsschrauben-Extruder
mit einer modifizierten Trommel und einem speziellen Schraubendesign wurde
dazu verwendet, das mikrozellulare geschäumte Profil zu erzeugen. Die
Trommel wurde auf 8 D (8 × 70,
oder 560 mm) auf ein Verhältnis
von Länge
zu Durchmesser von 30:1 verlängert.
Die gegenläufigen
Schrauben wurden gemäß den Prinzipien
einer mikrozellularen Schaumgestaltung modifiziert, um einen ausreichenden
Druck am Punkt der Stickstoffinjizierung zur Verfügung zu
stellen und den Stickstoff gleichmäßig über den Polymerschmelzstrom
zu verteilen.
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Eine
mit Kalziumcarbonat befüllte,
nicht plastifizierte Polyvinylchlorid-formulierung mit einem Standard-Schmiermittelpaket
und einer Feststoffdichte von 1,46 g/cm3 wurde
in den Bunker des Extruders beladen. Die Schrauben wurden bei einer Rate
von 13 U/min gedreht, um einen Durchsatz von 75 kg/h zu erzielen.
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Stickstoffgas
wurde unter Druck in die Trommel durch zwei Injiziierungsanschlüsse injiziert,
von denen jeweils einer auf jeder Seite der Trommel platziert war.
Die Injektoren. bestanden jeweils aus einem Zusammenbau mit 175
Löchern
mit 0,5 mm Durchmesser. Ein Gas-Pump- und -Abmesssystem wurde dazu
verwendet, den Strom des Stickstoffs auf 0,035 kg/h zu steuern,
was ein Stickstoff-Niveau von 0,047 Gew.-% des Polymers ergab. Der
Druck direkt nach dem Punkt der Gasinjiziierung wurde unter Verwendung
eines Druck-Transducers
bei 144 bar (2200 psi) gemessen. Der Druck am Ende des Extruders wurde
auf ähnliche
Weise bei 255 bar (4200 psi) gemessen. Die Temperatur des Polymerschmelzstroms wurde an
diesem Punkt unter Verwendung einer Schmelztemperaturprobe bei 188°C (370°F) gemessen.
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Das
Extrudat wurde auf die gewünschten
Dimensionen unter Verwendung einer Standard-Trockenkalibrierungs-(Vakuum)-Technologie kalibriert. Die
Produktdimensionen waren etwa 100 mm Breite mal 10 mm Höhe. Die
Wanddicken waren etwa 0,4 bis 0,5 mm. Das Profil wurde dann unter
Verwendung eines Perkin Elmer Densimetes in seine durchschnittlichen
Querschnittsdichte von 1,24 g/cm3, einer
Reduktion von 15% gegenüber
dem Feststoff, bestimmt. Eine Elektron-Abtastmikroskopie wurde auf einer in
flüssigem
Stickstoff gebrochenen und mit Gold beschichteten Probe durchgeführt, um
die Zellstruktur des Schaums freizulegen. Der durchschnittliche
Zelldurchmesser wurde bei zwischen 0,889 und 1,143 μm (35 und
45 Mikrons) abhängig
vom Ort der Probe in dem Produkt bestimmt.
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3–5 zeigen SEM-Bilder des gemäß diesem
Beispiel, wie es oben beschrieben wurde, erzeugten Produkts.
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Beispiel 2: Einspritzformung
eines Polyamids 6 mit niedrigem Niveau an Treibmittel
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Eine
zweistufige Einspritzform-Maschine (Hersteller Engel) mit einem
Verhältnis
l/d von 32:1, einer 40 mm Plastifiziereinheit zur Zufuhr eines geschmolzenen
Polymers in einen Kolben mit 40 mm Durchmesser wurde dazu verwendet,
ein mit 40% Glas und Mineralien befülltes Polyamid 6 zu bearbeiten.
Der Kolben und die Plastifiziereinheiten wurden mit mittels einer
Feder vorbelasteten Ball-Check-Joiner-Zusammensetzung verbunden und der Kolben durch
eine typischerweise pneumatisch angetriebene Absperrdüse in eine
Form eingesetzt. Während der
Plastifizierung des Polymers wurden 0,08 Gew.-% Stickstoff im überkritischen
Zustand in die Plastifiziereinheit bei etwa 18 Durchmessern von dem
Zufuhrabschnitt injiziert. Dies wurde unter Verwendung eines radial
positionierten Anschlusses mit 176 Öffnungen mit 0,508 mm (0,02
Inch) Durchmesser und einem betätigten
Steuerungsventil durchgeführt,
um eine Massenstromrate des Treibmittels bei einer Rate von 18,14
g/h (0,04 lbs/h) einzuregeln.
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Die
homogene einphasige Lösung
aus Polymer und überkritischem
Stickstoff wurde unter einem Druck von zumindest 13,790 MPa (2000
psi) während
des gesamten Zyklus beibehalten, um die Einphasenlösung aufrecht
zu erhalten. Die Einphasenlösung
wurde in ein kleines Trimmstück
mit einem Coldrunner bei einer Injektionsgeschwindigkeit von 12,7
cm/s (5,0 Inches/Sekunde) und einem hydraulischen Druck von 8,437
MPa (1209 psig) injiziert. Die Teile und der produzierte Runner
hatten ein Gewicht von 109,5 Gramm, 5% weniger als das Gewicht der festen
Teile und des Runners. Die Zellstruktur dieser Teile wies einen
Durchmesser von weniger als 40 Mikron auf.
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Beispiel 3: Einspritzformen
von Polyamid 6 mit einem niedrigen Niveau an Treibmittel
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Das
in Beispiel 2 verwendete Material wurde in einer Einspritzform-Maschine
mit sich hin- und herbewegender Schraube (Hersteller Engel) mit
einem Verhältnis
l/d von 32:1, einer 105 mm Plastifiziereinheit, die ebenso als Einspritzkolben
diente, bearbeitet. Während
der Plastifizierung des Polymers wurden 0,06 Gew.-% Stickstoff in
einem überkritischen Zustand
in die Plastifiziereinheit bei 20 Durchmessern von dem Zufuhrabschnitt
injiziert. Dies wurde unter Verwendung eines radial positionierten
Anschlusses, der 176 Öffnungen
mit 0,02 Inch Durchmesser und einem betätigten Steuerungsventil, um eine
Massenstromrate von Treibmittel bei einer Rate von 0,272 kg/h (0,60
lbs/h) abzumessen, durchgeführt.
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Die
homogene einphasige Lösung
des Polymers und des überkritischen
Stickstoffs wurde bei einem Druck von 13,790 MPa (2000 psi) während des gesamten
Zyklus gehalten, um die Einphasenlösung aufrecht zu erhalten.
Die Einphasenlösung
wurde in eine Ablgeichs-Einfassung mit zwei Hohlräumen durch
ein Cold-Runner-System injiziert und einer Injektionsgeschwindigkeit
von 13,462 cm/s (5,3 Inches/Sekunde), und einem hydraulischen Druck
von 16,187 MPa (2333 psig) unterworfen. Die produzierten Teile und
der Runner hatten ein Gewicht von 654,4 Gramm, 15% weniger als das
Gewicht der festen Teile und des Runners. Die Zellestruktur dieser Teile
hatte einen Durchmesser von weniger als 1,016 μm (40 Mikrons).
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Beispiel 4: Einspritzformen
von Polyamid 6/6 mit einem niedrigen Niveau an Treibmittel
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Ein
mit 15% Glasfaser und 25% Mineralien befülltes Polyamid 6/6 wurde in
einer Einspritzformmaschine mit sich hin- und herbewegender Schraube (Hersteller
Engel) mit einem Verhältnis
l/d von 32:1 und einer 105 mm Plastifiziereinheit (die ebenso als Einspritzkolben
diente) bearbeitet. Während
der Plastifizierung des Polymers wurden 0,07 Gew.-% Stickstoff in
einem überkritischen
Zustand in die Plastifiziereinheit bei 20 Durchmessern von dem Zufuhrabschnitt
injiziert. Dies wurde unter Verwendung eines radial positionierten
Anschlusses mit 176 Öffnungen
und 0,508 mm (0,02 Inch) Durchmesser und einem betätigten Steuerungsventil,
um eine Massenstromrate des Treibmittels abzumessen, durchgeführt.
-
Die
homogene Einphasenlösung
des Polymers und des überkritischen
Stickstoffs wurden unter einem Druck von zumindest 13,790 MPa (2000
psi) während
des gesamten Zyklus gehalten, um die Einphasenlösung aufrecht zu erhalten.
Die Einphasenlösung
wurde in einem Mirror Bracket Mold mit zwei Hohlräumen mit
einem Code-Runner-System und einer Injektionsgeschwindigkeit von
8,89 cm/s (3,5 Inches/Sekunde) und einem hydraulischen Druck von 14,918
MPa (2149 psig) injiziert. Die erzeugten Teile hatten ein Gewicht
von 304 Gramm, 7,0% geringer als das Gewicht der festen Teile. Die Zellstruktur
dieser Teile wies einen Durchmesser von weniger als 1,016 μm (40 Mikrons)
auf.
-
Dem
Fachmann wird leicht ersichtlich, dass alle hierin aufgelisteten
Parameter nur exemplarisch angegeben sind und dass tatsächliche
Parameter von den jeweiligen Anwendungen für die Verfahren und die Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung abhängen.
Es ist daher selbstverständlich, dass
die voranstehenden Ausführungsformen
beispielhaft vorgestellt wurden und dass sie sämtlich innerhalb des Schutzbereichs
der anhängenden
Ansprüche
liegen.